國內外多普勒計程儀發展現狀和展望

郭喬鶴，張 維，張洋波，田鴻興，馮 欣

（1. 中國船舶集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003；2. 清江創新中心，湖北 武漢 430076）

0 引言

隨著我國海洋強國戰略快速發展，海洋運載器在軍用領域和民用領域均有廣泛應用。由于水下的特殊環境，部分導航方式如衛星導航、無線電導航等無法在水下工作，而水下運載器又有長時間航行的自主導航需求。慣性導航系統雖然可以長時間工作，但存在誤差積累，只使用慣導系統的精準性和可靠性不足。聲學多普勒測速計程儀（DVL）是利用多普勒效應研制的一種為水面、水下載體提供速度信息并計量航程的自主導航設備，可用于水面艦艇、自主式水下航行器（AUV）、水下機器人（ROV）和拖曳平臺、無人水面艇（USV）的導航系統，進行航位推算或輔助慣性導航系統（INS）來減少偏差。

近年來，眾學者在DVL 標定方法[1-3]、提升和評估DVL 測速精度[4-5]、解決處理DVL 短時失效問題[6-7]、多傳感器導航數據融合[8-9]等方面進行了大量的研究工作。國內外諸多公司均有性能優良、成本價格低廉的DVL 在產。美國的Teledyne RDI公司更是其中翹楚，其產品更新換代迅速，目前在售的具有不同用途和使用環境的4 款產品，囊括了可安裝于微型ROV 的小尺寸Wayfinder 型DVL、可在6 km 深海工作的Tasman 型DVL、對底跟蹤范圍達到2 200 m 的Pioneer 型DVL 和綜合性能優良的Pathfinder 型DVL。國內的相關科研單位及高校也參與到了多普勒測速設備的研制工作中，生產的DVL 性能在測速精度、測深范圍等方面接近世界領先水平。

1 國外多普勒計程儀發展現狀

1.1 發展進程綜述

國外使用聲學手段實現船舶速度的測量工作可以追溯于20 世紀40 年代，由哈佛大學聲學研究實驗室研制的基于多普勒背向散射船舶速度計[10]，該產品被認為是最早發明的DVL。在此基礎上邁阿密大學KOCZY 和KRONENGOLD[11-12]等人針對多普勒測流速開展了一系列研究工作，該設備后來由Airpax 電子公司制造。

20 世紀70 年代初，WISEMAN 等人開發了第1 個測量三維速度的多普勒流量計[13]，用于研究河口的湍流。具有里程碑意義的首臺商業化多普勒測速設備是AMETEK Straza 公司的ROWE 和YOUNG 在20 世紀70 年代末開發的一款300 kHz的多普勒流速剖面儀（ADCP），型號為DCP-4400[14]。此外，該公司出售的基于JANUS 配置的DVL，可針對當前流速進行調整，探測深度超過100 m。AMETEK Straza 公司與斯克里普斯海洋研究所的PINKEL 和REGIER[15-17]合作，評估了未來幾年ADCP 作為研制重點的可行性。

20 世紀80 年代初，多普勒計程儀形成產業化發展。1981 年，ROWE 和DEINES 組建了RD 儀器公司，主要是對聲學多普勒計程儀以及多普勒流速剖面儀 2 種儀器的研發。 RD 儀器公司和AMETEK Straza 公司研制了大量窄帶ADCP 產品，從遠程75 kHz 設備到高分辨率1 200 kHz 設備[18]，在國際上占領了絕大部分市場份額。到80 年代中后期，窄帶多普勒測速技術已經被各國不同公司廣泛應用，當時著名的有挪威Aanderaa 公司、法國Thomson 公司、日本Furuno 公司等。但是，窄帶ADCP 明顯的局限性在于分辨率、作用距離、測速精度之間的相互制約。降低工作頻率可以減少海水介質吸收損失，提升作用距離。但是，在降低工作頻率后，若要達到與高頻信號相同的平均統計效果就需要增加脈寬，長脈沖會導致空間分辨率降低。

從20 世紀90 年代開始，科研人員將研制重心轉移至寬帶多普勒測速技術及設備性能提升上。BRUMLEY 等人在1991 年發明了寬帶ADCP[19]，該設備利用重復的雙相編碼和二進制相移鍵控（BPSK）調制方式形成發射波形，降低了自相關旁瓣，與窄帶系統相比顯著增加了時間–帶寬積，在脈沖寬度一定的條件下，多個獨立樣本提升測速精度。寬帶多普勒測速技術的研究工作解決了分辨率、作用距離、測速精度之間的相互制約的問題。由于DVL 只計算船與海底回波中心區域的相對速度，因此DVL 沒有分辨率的概念，衡量其性能優劣的主要因素包括尺寸大小、功率、對底測速深度、測速精度。小尺寸的DVL 和ADCP 成為下一個研制熱點。首個基于相控陣的ADCP 于1995 年完成研制工作并形成測試報告，其型號為VM0038HP，發射頻率為38 kHz，平面相控陣由988 個單獨的壓電元件組成，半波長布陣成圓形配置[20]。與相同頻率的活塞式換能器相比，使用單個平面相控陣形成4 個波束，替代了4 個獨立的傾斜活塞換能器，尺寸縮小到一半以下。這意味著，在固定尺寸的情況下，使用相控陣可以在更低的頻率下工作，從而增加對底測速深度。此外，相控陣從根本上解決了聲速補償的問題，減小了測量誤差。

進入21 世紀以來，多普勒計程儀步入向多功能多用途發展的新階段。多普勒測速設備也被應用于諸多領域，如氣候學、海洋學、水文學、水下航行器系統、環境資源勘探、石油鉆井平臺等。多普勒測速系統也從傳統的船載式擴展為坐底式、手持式、懸浮式、拖曳式等。針對多普勒計程儀小型化、大深度、高精度的研制工作也一直在持續推進。截至目前，全球ADCP 和DVL 的主要供應商包括：Teledyne RDI、Nortek、Sontek、Rowetech 和Waterlinked 等。其中美國的Teledyne RDI 公司研制的多普勒測速設備性能更優，占據市場的主導地位。

1.2 TRDI 公司最新研制成果

美國的Teledyne RDI 公司在全球范圍內交付了4 萬余套多普勒相關設備，是行業領先的ADCP和DVL 制造商，在民用領域和軍用AUV 領域占有率最高。針對寬帶多普勒信號處理、相控陣設計、數據質量控制、系統自檢等技術均為行業領先。其產品功能完善，技術革新迅速，目前在產4 型號產品，其產品發展路線圖如圖1 所示。

1.2.1 Pathfinder DVL

Teledyne RDI 公司在2017 年上市的Pathfinder多普勒計程儀，體積小性能優，適裝于小型ROV及大直徑AUV 上。Pathfinder 多普勒計程儀使用了寬帶信號處理技術、相控陣技術、擴展范圍跟蹤技術等，可將底跟蹤范圍擴展60%以上，實現對底、對流跟蹤自動切換。導航系統與慣性系統高精度耦合，進一步提高了DVL 輔助的INS 定位精度。該設備設置聲學多普勒流速剖面儀選項，可根據需要進行功能擴展，并提供原始設備制造商（OEM）配置，根據占用空間和功能等特殊需求進行定制。典型的技術參數如表1 所示。

表1 Pathfinder DVL 典型技術參數表Table 1 Typical technical parameters of Pathfinder DVL

針對Pathfinder DVL 性能提升的研制工作也一直在進行，如圖2 是2022 年5 月發布的新研制的300 kHz 基于OEM 配置的Pathfinder DVL，其直徑為14.4 cm，高度3.38 cm，質量2.9 kg（空氣中），配備了雙軸數字傾角儀和加速度計。在有擴展范圍跟蹤（XRT）的條件下，底跟蹤范圍能達到500 m。工作深度達到1 000 m。由于其外形尺寸更小，可作為當前OEM Pioneer 的替代產品使用。

圖2 300 kHz 基于OEM 配置的Pathfinder DVLFig. 2 300 kHz Pathfinder DVL based on OEM configuration

1.2.2 Tasman DVL

Tasman DVL 是2019 年研制生產的用于替代傳統Workhorse DVL 的高精度、低功耗、小型化產品，與其他型號產品相比，顯著優勢在于其在6 000 m 水深條件下仍可正常工作。Tasman DVL采用相控陣設計，可在更小尺寸下提高位置精度，減小航行器阻力。為滿足大深度工作需求，其上安裝了換能器狀態監視器、泄露傳感器以便實時監測系統工作狀態。此外，聲學多普勒流速剖面儀、航姿參考系統（AHRS）等也可根據用戶需求進行配置。創新的可即時更換換能器組件的設計方式，使得Tasman DVL 在傳感器發生故障時，可隨時更換換能器，不需要再將DVL 送回維修，換能器和電子艙相互獨立，可即時更換換能器的Tasman DVL和典型的技術參數表如圖3 和表2 所示。

表2 Tasman DVL 典型技術參數Table 2 Typical technical parameters of Tasman DVL

圖3 可即時更換換能器的新款Tasman DVLFig. 3 New Tasman DVL with field-replaceable transducers

1.2.3 Pioneer DVL

Pioneer DVL 是TRDI 公司生產的遠距離相控陣DVL，其作用距離最大可達到2 500 m。由于其探測深度相對其他DVL 遠，該設備用于輔助小型、中型和大型平臺上的導航系統，使之有能力從公海深水區過渡到沿岸淺水區，38 kHz 的DVL 適裝于工作在全海深的水下無人航行器上。150 kHz 和38 kHz 這2 種型號產品如圖4 所示，其典型技術參數如表3 所示。

表3 Pioneer DVL 典型技術參數Table 3 Typical technical parameters of Pioneer DVL

圖4 150 kHz 和38 kHz 的Pioneer DVLFig. 4 150 kHz / 38 kHz Pioneer DVLs

1.2.4 Wayfinder DVL

Wayfinder DVL 用于實時輸出三維速度信息和安裝平臺對底高速信息， 其尺寸僅10 cm×10 cm×7 cm，因此非常適裝于微型ROV 上。該設備可靠性高、易于集成、價格低廉，渾濁和深水中也能正常工作，適用于橋梁/大壩檢查、渠道/渡槽檢查、船體檢查、生物學研究、打撈作業、潛水員導航等應用場景。Wayfinder DVL 結構及安裝于微型ROV 上的示意圖如圖5 所示，其典型技術指標如表4 所示。

表4 Wayfinder DVL 的典型技術指標Table 4 Typical technical parameters of Wayfinder DVL

圖5 Wayfinder DVL 安裝于微型ROVFig. 5 Wayfinder DVL suited for micro ROVs

圖6 STH-150 型相控陣多普勒計程儀Fig. 6 STH-150 phased array DVL

圖7 水面艇用小型多普勒計程儀Fig. 7 DVL for surface craft

2 國內多普勒計程儀發展現狀

自20 世紀70 年代以來，我國的多普勒測速技術逐步發展，國內相關科研單位及高校均加入到了多普勒測速技術的研究中，包括杭州應用聲學研究所、哈爾濱工程大學、中科院聲學所、上海船舶運輸科學研究所、中船航?？萍加邢挢熑喂炯爸写瑵櫬暱萍加邢薰镜鹊戎T多家單位均針對多普勒測速技術進行研究，研制并生產了包括多普勒計程儀、多普勒流速剖面儀等設備。

杭州應用聲學研究所旗下的杭州瑞利海洋裝備有限公司產品包括SLC 型走航式相控陣聲學多普勒測流儀、SLS 型自容式相控陣聲學多普勒測流儀、STH-150 型相控陣多普勒計程儀等。STH-150型DVL 工作頻率150 kHz，測深范圍5～350 m，長期精度±1%±0.1 cm/s，空氣中重量小于20 kg，尺寸Φ230 mm×220 mm（不含水密接插件高度）。

中科院聲學所研制的SC 系列多普勒流速剖面儀、水面艇用小型多普勒計程儀等設備在無人船測速導航、水文流量測量中發揮重要作用，還用于“蛟龍號”和“深海勇士號”載人潛水器以及DTA-6000聲學深拖等水下作業平臺。其最大探底高度200 m，測速范圍±10 m/s，對底測速精度達到±0.4%×船速±5 mm/s。

此外，哈爾濱工程大學研制生產了HEU-150型、 HEU-300 型DVL， 中科院東海站研制的4 000 m 大深度DVL 等等。

盡管在國外長期的技術封鎖下，國外高精度、小型化的DVL 出口受管制，國產DVL 與世界先進DVL 設備性能差距仍在逐步縮小。中船潤聲科技有限公司研制生產了不同功能的系列化DVL 產品，包括了Dolphin-D500 型、Dolphin-D300 型、Dolphin-D300A 型、Dolphin-D100 型等，小型化、大深度、高精度的DVL 設備性能正在逐步接近世界水平。Dolphin-D100B 型DVL 和Dolphin-D300A 型DVL 如圖8 和圖9 所示，其性能參數如表5 所示。

圖8 Dolphin-D100B 型DVL 實物圖Fig. 8 Dolphin-D100B DVL

圖9 Dolphin-D300A 型DVLFig. 9 Dolphin-D300A DVL

3 關鍵技術難點

3.1 大深度多普勒計程儀體積受限的問題

隨著近年來人類對深海資源的開發和利用，深海事業在國際經濟和國防戰略中占據重要的地位，各國紛紛投入巨資開展了如海底地形勘探、科學考察、深海作戰等相關領域的科學研究、技術開發和裝備發展工作，為水下導航技術的發展帶來了新的挑戰。深海無人裝備的緊湊化結構和能源限制，對搭載DVL 的體積和重量都提出更高的要求。此外，為配合便攜性、輕型UUV 的發展需求，結合以觀測功能、娛樂活動為主的微型ROV 的巨大應用前景，小型化、大深度、高精度的多普勒計程儀的研制工作成為研究熱點。為增加DVL 的打底深度，首先考慮到的是增加發射聲基陣的驅動功率，但是過大的發射功率會導致空化現象，導致波束圖退化，聲阻抗降低引起聲基陣和發射機不匹配，非線性效應引起的發射脈沖失真，為避免空化現象需要限制發射功率。另一個思路是降低工作頻帶范圍，減小傳播損失，提升作用距離。但與此同時低頻換能器體積和重量增加，和小型化的要求相矛盾。

針對大深度的小型化DVL 的研制工作成為研究熱點。使用相控陣用單個平面陣替換原有的4 個獨立活塞式換能器可以有效縮小尺寸[21-22]。文獻[23]提出了一種八波束相控陣DVL，采用雙JANUS配置方式，有效減少布陣間距并減小相控陣體積。相關測速聲吶的測速精度低于多普勒測速儀，但是它不要求窄波束發射，也不要求指向斜下方的波束，因此可減小聲基陣體積和降低工作頻率。2015年BRUMLEY 和TAUDIEN 發明了小孔徑聲速傳感器（SAAVS）[24]，該裝置采用傳統相控陣DVL和聲相關計程儀（CVL）相結合的方式，由多個子陣列組成，每個子陣列形成4 波束。該方法在相對較寬的波束下也能獲得良好的性能，通過空時相關信號處理算法解決波束發散和地形偏差等傳統問題，該裝置可在保證測速精度的條件下減小換能器體積。

目前國內的DVL 大多選擇相控陣的方式，尺寸已經大大縮小，但是大深度DVL 的尺寸和功耗由于電子元器件等因素和國外的仍有差距，電子元器件的集成化程度對比國外還是有很大提升空間，未來DVL 研制重點仍在小型化上。

3.2 水面航船空化造成能量衰減導致作用距離降低問題

由于海洋環境條件復雜，在風浪和潮涌的共同作用下，艦載平臺容易產生撓曲變形，影響姿態角估計。此外艦船自身慣性大，受水阻力影響，造成姿態誤差平滑精度不高，為對準精度的估計造成影響[25]，只使用慣導系統進行方位導航存在誤差積累、系統可靠性差的問題。全球導航定位系統（GNSS）具有明顯的多徑效應、在電磁環境復雜、電離層活動不規律的情況下，GNSS 信號捕捉跟蹤困難[26]。此外在高緯度地區可用衛星數目有限，無法為主慣導提供實時、準確的輸出速度校正信息。為解決上述問題，需采用多傳感器多源信息融合的方式以實現準確的航位推算。

但是針對水面艦使用DVL 進行輔助導航，在航速較高的情況下，艇底板不平整處會存在空化現象，螺旋槳高速轉動產生大量空化噪聲。當DVL濕端換能器基陣附近存在大量氣泡時，會導致相控陣發射和接收聲波能量衰減，影響DVL 工作深度，工程上使DVL 濕端遠離螺旋槳安裝可以減少空化影響。針對這一問題的分析工作還比較欠缺，也尚未形成量化的精度分析結果。

3.3 航船姿態搖擺和安裝誤差問題

針對船有運動的情況的誤差分析，國內外學者做了大量的研究工作，大多集中于減小搖擺或者測量搖擺角并進行修正上。采用將換能器安裝于穩定平臺上，以穩定換能器指向的方式，但是該方法造價昂貴，成本高，并且針對水面航船在海況惡劣的情況下，穩定平臺也很難發揮效用。另外采用JANUS配置方式，使用前后2 波束可以適當抵消由于俯角變化的測速誤差。使用捷聯慣性導航系統（SINS）測量姿態角并進行修正，SINS/DVL 理論上需要固聯在運載體的質心位置以避免 “桿臂效應”，如果安裝位置不在質心上，或者擺動不是參照質心擺動的，波束抵消效果受影響，對導航精度的影響較大。

實際安裝過程中存在安裝偏差，不可避免且難以借用其他工具直接測量，且勻速直航的航行方式，增加了測速誤差參數的標定難度。將SINS/DVL進行一體化設計，使用SINS 測得的姿態角對DVL測量值進行修正，可以降低由于航船姿態搖擺造成的測速誤差。

3.4 非典型海底地形等因素導致解算錯誤問題

DVL 主要通過測試在平臺和海底被照射區域存在相對運動條件下，反射信號的多普勒頻移，來進行航速的解算，反射信號與海底的地形特征有很大關系。在底跟蹤工作模式下，遇到不平整海底地形如海底溝、海底山脈或者遇到海洋生物阻擋、海底強吸聲地質、載體航行姿態劇烈變化等情況，導致反射回波異常，出現測量數據短暫失效的情況，直接影響其航位推算性能。

目前可以從硬件結構和軟件算法2 層面解決DVL 數據失效的問題。在硬件方面，可以設計多組輔助聲學定位系統如超短基線（USBL），或者考慮組合導航如使用慣性導航、地球物理導航（地形、重力場、磁場等）和DVL 組合使用等方式。如文獻[27]在DVL 底跟蹤模式失效時，使用流跟蹤方式作為DVL 速度量測，為INS 提供速度輔助。在軟件方面，有2 種解決失效問題的思路：1）可以采用動力學模型、深度學習等方式以速度估計值替換掉DVL 的失效測速信息。動力學模型[28-31]包括航行器動力學和流體動力學2 種，利用推進器推力、航向角、對流速度等信息最終推演估計得到對地速度。深度學習利用卷積神經網絡（CNN）、循環神經網絡（RNN）及長短記憶網絡（LSTM）等方式[32-35]，利用DVL 正常時的輸出速度對DVL失效時的速度進行預測，以保證DVL 在短時失效時的導航精度。 文獻[36]采用偏最小二乘回歸（PLSR）和支持向量回歸（SVR）相結合的方法構建混合預測變量，基于SINS 當前和過去的計算速度作為預測因子輸入，在出現DVL 數據失效時，PLSR-SVR 預測器提供DVL 測量值的估計進行信息融合。2）針對DVL 獲取的航位推算數據進行預處理如剔除野值、數據融合等手段[37-39]，通過使用擴展卡爾曼濾波（EKF）、無跡卡爾曼濾波（UKF）、容積卡爾曼濾波（CKF）、自適應卡爾曼濾波（AKF）等濾波算法，將DVL 短時異常的輸出結果剔除，使得航位推算結果更穩定。

上述提到的方法從原理上給出了解決DVL 短時失效的問題，但仍處于理論研究和驗證階段。在實際工程應用中需要在系統計算量和導航精度之間進行權衡，選擇穩定性高的處理方式，避免截斷誤差或者發散的情況發生，也需要結合平臺實際的運動狀態對信號處理方式進行選擇。

4 結束語

通過對國內外DVL 發展現狀進行分析，結合美國的TRDI 公司目前在售的根據使用環境和用途進行劃分的4 款不同的系列化產品，能夠得出結論：目前國內外的DVL 還有一定差距，主要集中在電子部件集成化程度低、沒有形成系列化產品上。但是在國家的大力支持下，我國逐步實現高性能寬帶多普勒設備的研制，技術水平趨于成熟。

研制出有競爭力的大深度、低功耗、高精度、可靠性強、外觀和軟件界面為用戶認可的多普勒計程儀是當前設備發展趨勢。進行系列化產品的研制工作，使之能適用于不同的使用環境，可根據用戶需求和用途進行定制，是未來產品研發的關鍵手段。提升標定方法準確度、設備魯棒性、解決短時失效的問題、在緊湊空間限制下擴大DVL 底跟蹤范圍等熱點問題的研究，能夠有效提升水下航行器的導航定位精度和可靠性。